Исследование физических свойств жидкостей и их фазовых переходов в твердое состояние при помощи акустических волн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Шамсутдинова Елизавета Сергеевна

• Шамсутдинова Елизавета Сергеевна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Шамсутдинова Елизавета Сергеевна

Введение

Глава 1. Исследование акустических и электрофизических свойств жидкостей и суспензий при помощи акустических волн

1.1. Исследование электрофизических свойств суспензий

1.2. Исследование вязкости жидкости при помощи акустических волн в пьезоэлектрических пластинах

1.3 Исследование вязкости жидкости при помощи акустических волн в пьезоэлектрических слоистых структурах

1.4 Исследование акустических и электрофизических свойств жидкости при помощи акустических волн в пьезоэлектрических пластинах 37 1.5. Исследование механических и температурных свойств суспензий при

помощи объемных акустических волн

Глава 2. Исследование влияния электропроводности жидкости на характеристики акустических волн в структуре «пьезоэлектрическая пластина - воздушный зазор - жидкость»

2.1. Влияние электропроводности жидкости на характеристики акустических волн в структуре «пьезоэлектрическая пластина - воздушный зазор -жидкость»

2.2. Разработка метода бесконтактного определения электропроводности жидкости при помощи акустических волн в пьезоэлектрических пластинах 87 Глава 3. Исследование влияния фазового перехода жидкость - лед на характеристики акустических волн в пьезоэлектрических пластинах

3.1. Фазовый переход невязкой, непроводящей жидкости в лед

3.2. Фазовый переход невязкой, электропроводной жидкости в лед

Заключение

Список литературы

Список сокращений и условных обозначений

АВП — акустические волны в пластинах

АУ — Фармацевтический активированный уголь

АЧХ — амплитудно-частотная характеристика

АЦ —анализатор цепей

ВМ — вазелиновое масло RAJOL WP

ВШП — встречно-штыревые преобразователи

ИИЭ — изоляция измерительных электродов

ЬОАВ — продольные объемные акустические волны

ЛЗ - линия задержки

ОАВ — объемные акустические волны

ПАВ — поверхностные акустические волны

СМ — силиконовое масло ПМС-100

SH-волна — акустическая волна с поперечно-горизонтальной поляризацией SPAN80 — сорбитан моноолеат SPAN80 Sigma Aldrich

Введение

Как известно [1], агрегатным состоянием в физике называют термодинамическую фазу вещества. Твердые тела обладают формой и объемом и характеризуются жестким закреплением атомов в кристаллической решетке.

Жидкость, в отличие от твердых тел, не имеет формы и кристаллической структуры. Существует два типа жидкостей, кардинально различающихся по химическим и физическим свойствам. Это полярные и неполярные жидкости. Полярные жидкости и растворы на их основе, как правило, отличаются высокой диэлектрической проницаемостью. Это связано с наличием электрического дипольного момента молекул вещества. В таких материалах наблюдается разная электроотрицательность атомов, из-за этого приобретается полярность молекул. К полярным жидкостям относятся вода, спирты, ацетон, глицерин и др.

Самым распространенным сильнополярным растворителем на Земле является вода (И^). Как известно, вода играет уникальную роль как химическое соединение, определяющее возможность существования всех живых организмов на Земле. Своей уникальностью вода обязана водородным связям, точнее их количеству. С их помощью одна молекула воды может связаться с четырьмя другими молекулами. Такие контакты ощутимо менее прочны, чем ковалентные связи, и разорвать каждую водородную связь по отдельности достаточно просто. Однако, в воде таких взаимодействий очень много, и вместе они заметно ограничивают свободу ее молекул, не давая им легко отрываться друг от друга, например, при нагревании. Каждая из водородных связей сама по себе существует ничтожную долю секунды - они постоянно разрушаются и возникают вновь. Но при этом в любой момент большая часть молекул воды оказывается вовлечена во взаимодействие с соседними молекулами. Вода обладает самой высокой удельной теплоемкостью среди жидкостей и твердых тел [2].

Неполярные вещества, в отличие от полярных, обладают низкой диэлектрической проницаемостью [3]. В таких жидкостях электроотрицательность атомов внутри молекул является практически одинаковой. Строение молекул таких веществ - симметричное, сумма дипольных моментов отдельных связей внутри молекулы близка к нулю. К неполярным жидкостям относятся бензин, нефть, бензол, вазелиновое масло, керосин и др.

Помимо описанных жидкостей существует большое количество растворов и суспензий на их основе. Они характеризуются своими физическими свойствами, такими как уровень кислотности [4], электропроводность [5 - 7], мутность [8], содержание растворенного кислорода в растворе [9], чистота [10], вязкость [11], плотность [7] и другие.

Как известно, длительное время основными конструкционными материалами в промышленности, машиностроении, ракетостроении, автомобилестроении, приборостроении и т.д. являлись различные металлы и сплавы. В процессе их эксплуатации в качестве смазочных или топливных материалов использовались различные масла и углеводородные жидкости. Однако, с развитием технологий появилось большое количество новых композитных материалов, которые постепенно заменяют традиционно используемые металлы и сплавы. Взаимодействие этих новых композитных материалов с ранее использовавшимися технологическими жидкостями приводит к изменению свойств этих жидкостей. Это может происходить в результате, например, их возможного загрязнения микро и наночастицами новых конструкционных материалов. Однако, характер изменения свойств технологических жидкостей в результате такого взаимодействия неизвестен. В связи с этим возникает необходимость как адаптации ранее существовавших методов контроля свойств технологических жидкостей, используемых в вышеуказанных устройствах, так и разработке новых подходов к этой проблеме.

Следует также отметить, что к технологическим жидкостям относится и технологическая вода, которая также должна соответствовать определенным характеристикам для соблюдения условий эксплуатации устройств.

Важной проблемой современного общества также является загрязнение окружающей среды [12, 13], в том числе новыми загрязнителями типа микропластика, антибиотиков, различных твердых отходов и т.д. В связи с этим разработка новых методов и усовершенствование существующих методов контроля состояния водной среды также является актуальной научной задачей.

Таким образом, разработка новых и совершенствование существующих методов для контроля свойств различного типа жидкостей, суспензий и растворов является важной и актуальной задачей. Подобные методы могут быть использованы как для определения одного конкретного параметра, например, вязкости, так и для определения целого набора физических параметров исследуемого вещества.

Следует отметить, что исследования физических свойств воды, как одного из фундаментальных веществ на планете, начались еще в конце 18 века и продолжаются до сих пор. К настоящему времени свойства воды исследованы в различных условиях ее существования. В том числе при комнатной температуре [14], в переохлажденном состоянии [15] и при экстремальных давлениях [16]. Исследования проводились различными способами, такими как рамановская спектроскопия [17 - 19], рентгеновская абсорбционная спектроскопия [20], дифференциальная сканирующая калориметрия высокого давления [21] и т.д.

Помимо исследования физических свойств воды существуют работы,

посвященные исследованию электрофизических параметров суспензий на

основе неполярных жидкостей с различными включениями. Данные

исследования носят ситуативный характер для конкретных технических задач

и в них исследуются такие свойства как электропроводность и

6

диэлектрическая проницаемость жидкостей [22 - 24]. Что касается вязкости и модулей упругости таких жидкостей, то данная информация практически отсутствует.

Одним из интереснейших аспектов сосуществования жидких и твердых сред является возможность фазового перехода из жидкого состояния в твердое состояние вещества. Такой фазовый переход первого рода характеризуется скачкообразным изменением производных

термодинамических потенциалов по температуре и давлению. Этот процесс вызывает пристальный интерес ученых и активно изучается как теоретически, так и экспериментально [25 - 27]. Следует отметить, что помимо фундаментального значения, изучение данного процесса имеет огромное практическое значение. Давно известна проблема оледенения самолетов и кораблей при понижении температуры окружающей среды ниже нуля, что может приводить к авиакатастрофам и кораблекрушениям.

В последние годы также возникла проблема, связанная с изменением климата. Последствия этого процесса, заключаются, в том числе, в более резком колебании температуры, например, на Крайнем Севере. При этом возникают условия, при которых в течение непродолжительного периода времени жидкость может несколько раз менять свое агрегатное состояние, превращаясь в лед и обратно в жидкость. Это может приводить к поломкам устройств, разрушению инфраструктуры, нарушениям технологических процессов и техногенным катастрофам.

Для контроля за такими фазовыми переходами было предложено

использовать датчики на различных физических принципах. С помощью

электрооптического метода определяли наличие и толщину льда по

изменению интенсивности и поглощения оптического излучения для

авиационной промышленности [28]. В [29] предлагается к использованию

волоконно-оптический датчик детектора льда на поверхности обшивки

самолета. В патенте [30] используются радиочастотные методы для

детектирования и предсказывания образования льда по изменению

7

диэлектрической проницаемости материала. Помимо прочего использовались микромеханические датчики [31], индуктивные устройства [32], оптические и вибрационные датчики гололеда [33, 34].

Известно, что примеси и различного рода включения, такие как микро-и наночастицы твердых материалов или растворы солей, изменяют свойства фазового перехода вода-лёд [35, 36]. Эти изменения также необходимо оценивать для уверенной эксплуатации многих устройств в условиях низких температур [37].

Следует отметить, что основной проблемой существующих кондуктометрических [38] или емкостных [39] датчиков для жидкостей является контакт измерительной структуры (электродов) с исследуемым объектом. Это приводит к быстрой деградации устройства и недостаточной их надежности в период эксплуатации. Данная проблема особенно актуальна при анализе свойств агрессивных сред или сред, находящихся в экстремальных условиях при высоких давлениях или температурах.

Одним из методов, свободным от этих недостатков, является метод, основанный на использовании акустических волн [40]. Акустическая волна представляет собой упругое взаимодействие молекул внутри вещества при этом перенос энергии происходит без переноса самого вещества. В настоящее время известно большое количество различных типов акустических волн. При распространении в звукопроводе из единственного материала они разделяются на три больших класса: объемные акустические волны (ОАВ), поверхностные акустические волны (ПАВ) и акустические волны в пластинах (АВП) [41 - 43].

ОАВ распространяются в безграничном объеме материала и в общем виде могут быть трех типов: продольные ОАВ, быстрые поперечные ОАВ и медленные поперечные ОАВ. В случае присутствия одновременно нескольких компонент смещения их называют квазипродольными или квазипоперечными [42].

В случае появления границы между воздухом и пьезоактивной полубесконечной средой, акустическая волна будет распространяться в приповерхностном слое по границе кристалла. Такая волна называется поверхностной акустической волной (ПАВ). Если глубина ее проникновения в кристалл составляет 1-2 длины волны (X), то такая волна называется волной Рэлея, и она характеризуется эллиптической поляризацией. Если глубина проникновения ПАВ в кристалл составляет от 50Х и больше, и смещение частиц среды происходит в плоскости кристалла и перпендикулярно направлению распространения волны, то такая волна называется волной Гуляева-Блюстейна или БИ ПАВ [41, 42].

В случае многослойной структуры возможно существование таких ПАВ как волны Лява [44], волны Сезава [45], псевдоповерхностные ПАВ [46] и т.д.

В случае ограничения среды с двух сторон, в ней распространяются акустические волны в пластинах. Эти волны подразделяются на антисимметричные (Ап) и симметричные (Бп) волны Лэмба и волны с поперечно-горизонтальной поляризацией (БИп) нулевого (п=0) и высших порядков (п=1, 2, 3...). Порядок волны (п) характеризует количество полуволн, укладывающихся по толщине пластины [43, 47].

Для возбуждения акустических волн в пьезоэлектрических пластинах и

ПАВ используется обратный пьезоэффект. В этом случае на поверхности

пьезоэлектрика располагаются два встречно-штыревых преобразователя

(ВШП), каждый из которых представляет из себя две гребенки, вложенные

друг в друга. Один из них является возбуждающим, а другой - приемным.

Электроды этих преобразователей изготовлены из металла. В этом случае,

приложенное к ВШП электрическое напряжение приводит к механической

деформации пьезоэлектрического материала и возникновению пьезоактивной

акустической волны на соответствующей частоте. Частота волны задается

геометрическими размерами штырей ВШП. Следует отметить, что

пьезоактивные акустические волны сопровождаются пьезоэлектрическим

полем, распространяющимся с той же частотой и в том же направлении, что и волна. В связи с тем, что скорость акустической волны в пьезоэлектрической пластине на пять порядков меньше, чем скорость электромагнитной волны, то такие устройства называются линиями задержки (ЛЗ). В качестве пьезоэлектрических материалов используются ниобат лития, танталат лития, кварц, ниобат калия, пьезокерамика и другие материалы или структуры на их основе. Акустическая волна характеризуется такими параметрами, как частота, фазовая и групповая скорости, коэффициент электромеханической связи К2, поляризация, поглощение и т.д. [41, 42, 48].

Для возбуждения объемных акустических волн используются резонаторы. Это могут быть резонаторы, возбуждаемые продольным и поперечным электрическим полем в зависимости от геометрии электродов [49].

Для возбуждения и детектирования акустического сигнала используются векторные анализаторы цепей.

Физический механизм, лежащий в основе акустоэлектрических датчиков жидкости, может быть описан следующим образом. При изменении свойств жидкости, контактирующей с пьезоэлектрическим звукопроводом, характеристики акустической волны любого типа (фаза, амплитуда, время задержки) также меняются. В случае изменения физических свойств жидкости, например, ее электропроводности при помощи калибровочных растворов можно построить калибровочные зависимости, по которым в дальнейшем можно определять физические свойства других неизвестных жидкостей. Исследуемое вещество в этом случае не контактирует с ВШП, а находится между ними. Это позволяет предотвратить взаимодействие исследуемого вещества с электродами.

Кроме того, электрическое поле, сопровождающее пьезоактивную волну, проникает за пределы звукопровода. Эта особенность позволила разработать бесконтактные акустоэлектрические методы определения

диэлектрической проницаемости и проводимости тонких пленок [50, 51]. Однако, подобных методов для жидкости разработано не было.

Отличительной особенностью акустических волн в пластинах является существование набора чувствительных волн разных порядков, которые могут зондировать исследуемый образец. Их взаимодействие с веществом определяется величиной коэффициента электромеханической связи волны, ее затуханием и поляризацией. В случае АВП их механические смещения распределены по всей толщины пластины. Таким образом, возбуждающий и принимающий ВШП можно разместить на той стороне пластины, которая свободна от исследуемой жидкости. Это еще более расширяет область применения АВП для разработки и создания жидкостных датчиков.

В настоящее время известны акустические датчики для определения вязкости жидкости, основанные на БИ ПАВ и ОАВ [52 - 56], на основе резонансного акустического метода [57, 58]. Подобные датчики также используются для исследования дисперсных систем с биологическими объектами [59], наносуспензий [60], различных масел [61], компонентов нефти [62]. Существуют работы, направленные на создание новых методов исследования материалов, например, с помощью СВЧ акустического метода [63 - 65].

Однако, работ, посвященных исследованию взаимодействия акустических волн с неполярными жидкостями и суспензиями на их основе, не так много. Известны исследования акустических волн в неполярных диэлектриках Не I и Не II [66]. Кроме того, разрабатывались идентификаторы бензина и масла на SH ПАВ, волнах в пластинах и резонаторах с поперечным электрическим полем [67 - 69]. Разрабатываются методы для определения свойств растительных масел [70].

Известны также акустические датчики для контроля за свойствами

фазового перехода вода-лед. Например, ультразвуковой метод использовался

для измерения толщины льда [71] и характеристик фазового перехода вода-

лед с использованием ПАВ [72 - 74] и SH ПАВ [75 - 79]. Между тем,

11

использование других типов акустических волн в слоистых структурах и пьезоэлектрических пластинах [80 - 86], может позволить разработать более чувствительные методы для контроля за фазовыми переходами жидкость -твердое тело и образованием льда.

Следует отметить, что разработка датчиков жидкости невозможна без предварительного проведения теоретического анализа распространения акустических волн в звукопроводах, находящихся в контакте с жидкостями. Это позволяет определить геометрические размеры устройства и его ожидаемые параметры до проведения трудоемких и затратных экспериментов. Однако, для такого анализа необходимо знать свойства жидкостей (диэлектрическая проницаемость, вязкость, модули упругости, плотность), для анализа которых предполагается разработка датчиков.

Таким образом, проведенный анализ литературы показал, что в основном исследования особенностей распространения акустических волн в акустических звукопроводах, находящихся в контакте с жидкостью, проводились для поверхностных акустических волн и акустических волн в пьезоэлектрических пластинах. В качестве жидкостей в основном анализировалась вода или водные растворы №0 и глицерина. Предполагалось, что для анализа вязкости жидкости наиболее предпочтительными являются волны с поперечно-горизонтальной поляризацией. Однако, наличие большого количества акустических волн высших порядков в пластинах из различных пьезоэлектриков позволило предположить существование других типов волн с необычными механическими поляризациями. Кроме того, комбинация различных типов волн и различных пьезоэлектриков может привести к новому подходу разработки селективных методов определения только механических или электрофизических свойств жидкостей. Также интерес представляет исследование свойств не только полярных, но и неполярных жидкостей, в том числе с нано- и микровключениями из новых композитных материалов. Это

относится и к исследованию фазовых переходов таких жидкостей в твердое состояние при помощи акустических методов.

Целью данной работы является исследование физических свойств жидкостей, суспензий, растворов и их фазовых переходов в твердое состояние с помощью пьезоактивных объемных акустических волн и акустических волн в пьезоэлектрических пластинах.

В работе в качестве объекта исследования используются суспензии на основе вазелинового масла, силиконового масла и глицерина с добавками сорбитана моноолеата ^РА№0) и микрочастиц активированного угля; одномолярные водные растворы хлоридов натрия, калия, аммония, кальция, железа (III), никеля. В качестве эталонных жидкостей используются дистиллированная вода и глицерин.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследование электрофизических свойств суспензий.

2. Исследование вязкости жидкости при помощи акустических волн в пьезоэлектрических пластинах и структурах на их основе.

3. Исследование электропроводности жидкости при помощи акустических волн в пьезоэлектрических пластинах.

5. Исследование механических и температурных свойств суспензий при помощи объемных акустических волн.

6. Разработка метода бесконтактного определения электропроводности жидкости при помощи акустических волн в пьезоэлектрических пластинах.

7. Исследование влияния фазового перехода невязкая, непроводящая жидкость - лед на характеристики акустических волн в пьезоэлектрических пластинах.

8. Исследование влияния фазового перехода невязкая, проводящая жидкость - лед на характеристики акустических волн в пьезоэлектрических пластинах.

Научная новизна работы

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований:

1. Показано, что с помощью метода, основанного на использовании объемных акустических волн, можно исследовать свойства полярных и неполярных жидкостей, а именно, скорость звука, температурный коэффициент скорости, температурный коэффициент задержки, температурный коэффициент расширения, модуль упругости и температурный коэффициент модуля упругости в жидкости. При этом достаточно измерить лишь время задержки продольной объемной акустической волны в исследуемой среде.

2. Найдены акустические волны, распространяющиеся в пластинах YZ, УХ LiNbOз, ST,X, ST,X+90 SiO2 и 36УХ, 36YZ LiTaOз и структурах Si/ZnO, Si/AlN, обладающие эллиптической поляризацией в плоскости звукопровода, при этом у данного типа волн отсутствует нормальная к поверхности звукопровода компонента механического смещения.

3. Показано, что электрическое поле, сопровождающее пьезоактивную волну нулевого порядка с поперечно-горизонтальной поляризацией (БИо) в пластине УХ LiNbOз проникает в проводящую жидкость, которая находится на расстоянии менее 900 мкм от поверхности пьезоэлектрической пластины, при характеристиках БИ0 волны f = 2.067 МГц и X = 2 мм (а - частота, X -длина волны). При этом фаза и амплитуда волны меняются, что позволяет однозначно судить об электропроводности исследуемой жидкости.

4. Показано, что вносимые потери (Б12) для акустических волн в диапазоне частот от 15 до 50 МГц в пластинах У7, УХ LiNbOз, ST,X, STX+90 SiO2 и 36УХ, 36У7 LiTaO3 при Ь/Х=1.67 увеличиваются при изменении

с воздух _ (-вода

контактирующей среды с воздуха на воду и лёд, причем э12 < э12 < БЛед. Показано, что по стабилизации вносимых потерь можно определить полное превращение воды в лёд.

Научная и практическая ценность работы

Научная значимость работы определяется результатами по исследованию взаимодействия акустических волн в пластинах, находящихся в контакте с жидкостями, суспензиями и льдом. Обнаружением акустических волн с механической поляризацией в плоскости пластины и минимальной компонентой механического смещения, нормальной к поверхности пластины. Это позволило предложить эти волны для реализации датчиков с высокой селективностью к вязкости, что позволяет минимизировать влияние перекрестных факторов, таких как температура и электропроводность, на результаты измерений. Научной новизной также обладают результаты теоретического анализа свойств акустических волн в пьезоэлектрических пластинах, находящихся в контакте с жидкостью, свойства которой изменяются в процессе фазового перехода первого рода жидкость-лед. Полученные теоретические результаты легли в основу разработки акустических методов, позволяющих решать прикладные задачи, связанные с контролем оледенения авиационных и морских конструкций, улучшением прогнозирования ситуативных изменений агрегатного состояния жидкостей, что критически важно для предотвращения техногенных катастроф в климатически нестабильных регионах. Практическая значимость работы связана с разработкой и созданием методов, позволяющих проводить исследования с минимальными объемами образцов (менее 1 мл), что важно для работы с редкими, дорогими или ограниченными по доступности жидкостями. Полученные результаты могут быть использованы для контроля качества смазочных материалов, масел, топлив и других технологических жидкостей в машиностроении, автомобилестроении и нефтепереработке.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Акустические свойства суспензии и их температурные

коэффициенты (скорость звука, температурный коэффициент скорости,

температурный коэффициент задержки, температурный коэффициент

расширения, модуль упругости и температурный коэффициент модуля

упругости) могут быть определены одновременно из измерений только

15

времени задержки продольной объемной акустической волны при разных температурах (5°С - 25°С) для одной и той же жидкостной пробы объемом 1 мл в одном экспериментальном цикле. Данный подход применен для определения вышеуказанных параметров суспензий на основе вазелинового масла с такими наполнителями как микро- и нано-частицы активированного угля и SPAN80.

2. В пластинах и структурах на основе слабо пьезоактивных материалов ^Т кварц, Si/ZnO, Si/AlN) существуют акустические волны высших порядков с эллиптической поляризацией упругих смещений в плоскости звукопровода и отсутствием нормальной к поверхности звукопровода компоненты механического смещения. Эти волны обладают чувствительностью к вязкости жидкости на два порядка большей, чем к электропроводности и температуре той же жидкости.

3. Электрическое поле, сопровождающее пьезоактивную акустическую волну нулевого порядка с поперечно-горизонтальной поляризацией (БИ0) f = 2.067 МГц, X = 2 мм в пластине УХ ниобата лития, проникает в жидкость с произвольной электропроводностью, находящуюся на расстоянии не более 900 мкм от поверхности пластины, что приводит к изменению фазы и амплитуды этой волны. Это позволяет бесконтактно измерять объемную электропроводность жидкости в диапазоне 0.4 См/м - 21.1 См/м.

4. Для вносимых потерь (Б12) на распространение акустических волн высших порядков в частотном диапазоне 15 - 50 МГц в пьезоэлектрических пластинах YZ, УХ LiNbO3, ST,X, STX+90 SiO2 и 36УХ, 36YZ LiTaOз, находящихся в контакте с воздухом, водой или льдом, всегда выполняется соотношение БВ0здух < ^В0да < ^12Д. Достижение насыщения величины Б^14 при -15° соответствует формированию однородного льда. В диапазоне температур от -5° до -15° на поверхности пластины существует двухфазная система вода - лед.

Достоверность

Достоверность представленных в диссертации результатов обусловлена использованием широко известных методов измерения характеристик акустических сигналов, подтверждается их воспроизводимостью, надежностью примененных методов исследования и обработки данных. Полученные результаты не противоречат устоявшимся представлениям, приведенным в научной литературе, а дополняют их. Полученные результаты были признаны научной общественностью при обсуждениях на специализированных конференциях и опубликованы в рецензируемых научных журналах.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование физических свойств жидкостей и их фазовых переходов в твердое состояние при помощи акустических волн»

Апробация работы

Результаты работы были представлены на отечественных и международных конференциях, среди которых: XXXIV, XXXV и XXXVI сессия Российского акустического общества (Москва, 2022, 2023, 2024), Девятая международная конференция по физической электронике IPEC-9 (Ташкент, Узбекистан, 2024), LXVIII Международная научная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, Беларусь -2024), 32-я, 33-я и 34-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь- 2022, 2023, 2024г), 18-й, 19-й, 20-й Молодежный конкурс имени Ивана Анисимкина (Москва, 2022, 2023, 2024), VI и VIII Международный фестиваль науки «Micro- and nanotechnology: research and applications. Science festival for young scholars». (Саратов. 2021, 2024), XVII Всероссийская конференция молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Саратов, 2022г.)

Результаты диссертации опубликованы в следующих

отечественных и международных рецензируемых изданиях:

1*. Anisimkin, V., Kolesov, V., Kuznetsova, A., Shamsutdinova, E., Kuznetsova, I.

An Analysis of the Water-to-Ice Phase Transition Using Acoustic Plate Waves //

Sensors. - 2021. - Т. 21. - №. 3. - С. 919, DOI: 10.3390/s21030919

2*. Анисимкин В.И., Кузнецова И.Е., Шамсутдинова Е.С. Особенности

детектирования электрических характеристик проводящих жидкостей с

17

помощью нормальных акустических волн// Радиотехника и электроника.-2022.- Т.67.- №8.- С. 807-815. DOI: 10.31857/S0033849422080022 (английская версия: Anisimkin V.I.; Kuznetsova I.E.; Shamsutdinova E.S. Specific Features of Detection of Electric Characteristics of Conductive Liquids Using Normal Acoustic Waves // Journal of Communications Technology and Electronics. -2022. - T. 67. - №. 8. - C. 1022 - 1029. DOI: 10.1134/S1064226922080022) 3*. Smirnov A. Anisimkin, V., Voronova, N., Shamsutdinova, E., Li, P., Ezzin, H., Zh. Qian, T. Ma, Kuznetsova, I. Multimode design and piezoelectric substrate anisotropy use to improve performance of acoustic liquid sensors // Sensors. -2022. - Т. 22. - №. 19. - С. 7231. DOI: 10.3390/s22197231 4*. Anisimkin, Vladimir; Shamsutdinova, Elizaveta; Li, Peng; Wang, Bin; Zhu, Feng; Qian, Zhenghua; Kuznetsova, Iren Selective Detection of Liquid Viscosity Using Acoustic Plate Waves with In-Plane Polarization // Sensors. - 2022. - Т. 22. - №. 7. - С. 2727. DOI: 10.3390/s22072727

5*. Шамсутдинова Е.С., Анисимкин В.И., Фионов А.С., Смирнов А.В., Колесов В.В., Кузнецова И.Е. Совершенствование методов исследования электрофизических и вязкостных свойств жидкостей // Акустический журнал, 69, 1, с. 56-62 (2023) DOI: 10.31857/S0320791922600238 (английская версия: Shamsutdinova E. S., Anisimkin V. I., Fionov A. S., Smirnov A. V., Kolesov V. V., Kuznetsova I. E. Improvement of methods for studying the electrophysical viscous properties of liquids // Acoustical Physics, 2023, Vol. 69, No. 1, pp. 87-92. DOI: 10.1134/S1063771022700531)

6*. Smirnov, A., Anisimkin, V., Shamsutdinova, E., Signore, M. A., Francioso, L., Zykov, K., Baklaushev, V., Kuznetsova, I. Acoustic Waves in Piezoelectric Layered Structure for Selective Detection of Liquid Viscosity // Sensors. - 2023. - Т. 23. -№. 17. - С. 7329. DOI: 10.3390/s23177329

7*. Anisimkin V.I., Voronova N.V., Shamsutdinova E.S., Smirnov A., Datsuk E., Kashin V., Kolesov V., Filippova N., Kotsyurbenko O., Kuznetsova I. Determination of acoustic properties of paraffin oil mixed with activated coal

nanoparticles or SPAN80 using only BAW time delay measurement // Sensors and Actuators A: Physical, 2024, 379, 115893. DOI: 10.1016/j.sna.2024.115893

Результаты диссертации опубликованы в следующих трудах российских конференций:

8*. Шамсутдинова Е. С., Смирнов А. В., Кузнецова И.Е. Бесконтактное влияние электропроводности жидкости на характеристики SHO-волны // XXXVI Сессия РАО, г. Москва, 21-25 октября 2024. ISBN 978-5-89118-890-7. С. 637. DOI: 10.34756/GEOS.2024.17.38908

9*. Анисимкин В.И., Кузнецова И.Е., Шамсутдинова Е.С. Особенности измерения электрофизических свойств проводящих жидкостей с помощью акустических волн Лэмба высших порядков // XXXV Сессия РАО, г. Москва, 13-17 февраля 2023 г. С. 592. DOI: 10.34756/GEOS.2023.17.38501

10*. Шамсутдинова Е.С., Анисимкин В.И., Фионов А.С., Колесов В.В., Кузнецова И.Е. Исследование физических свойств жидкостей электроакустическим методом // XXXIV Сессия РАО, г. Москва, 14-18 февраля 2022 г. DOI: 10.34756/GEOS.2021.17.38156

Ссылки на публикации автора в тексте диссертации помечены звездочкой (1*, 2*...).

Личный вклад автора

Автором были проведены все теоретические исследования, представленные в научно-квалификационной работе. Ею проведено планирование и постановка экспериментов. Экспериментальные данные получены либо самим автором, либо совместно с соавторами работ, опубликованных по теме диссертации. Структура и объем диссертации

Диссертация включает в себя введение, три главы и заключение.

Полный объем диссертации составляет 124 страницы с 41 рисунком и 12

таблицами. Список литературы состоит из 122 ссылок.

Во введении описана актуальность тематики, представлен

аналитический обзор основной литературы по существующим методам

19

анализа свойств различных жидкостей и фазовых переходов жидкость - лед, в том числе использующим акустические методы. На основании проведенного обзора литературы представлена степень разработанности темы исследования. Также описаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту и степень апробации полученных результатов.

В первой главе диссертации исследованы акустические и электрофизические свойства таких неполярных жидкостей как силиконовое и вазелиновое масло и суспензий на их основе. Определены их диэлектрическая проницаемость, электропроводность. При помощи объемных акустических волн и акустических волн в пьезоэлектрических пластинах и структурах на их основе определены их вязкость, скорость звука, температурный коэффициент скорости, температурный коэффициент задержки, температурный коэффициент расширения, модуль упругости и температурный коэффициент модуля упругости

Во второй главе диссертации проведен поиск метода для селективного определения электропроводности жидкости с помощью акустических волн в пьезоэлектрических пластинах. Для этого вначале проведен теоретический анализ распространения акустических волн в структуре «жидкость с произвольной электропроводностью - воздушный зазор - пьезоэлектрическая пластина». Получены зависимости фазовой скорости и затухания поперечно-горизонтальной акустической волны нулевого порядка в УХ пластине ниобата лития от электропроводности жидкости. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили выводы теории и позволили разработать методику бесконтактного определения электропроводности жидкости при помощи акустических волн в пьезоэлектрических пластинах.

В третьей главе изучено влияние фазового перехода первого рода воды и водных растворов хлоридов в твердое состояние на характеристики акустических волн высших порядков в пьезоэлектрических пластинах.

В Заключении приведены основные выводы и результаты диссертационной работы.

Глава 1. Исследование акустических и электрофизических свойств жидкостей и суспензий при помощи акустических волн

Как уже говорилось выше, неполярные жидкости обладают низкой диэлектрической проницаемостью. Они используются в косметологии, нефтяной и пищевой промышленности, фармакологии и во многих других отраслях. Часто, сталкиваясь с необходимостью использования сложносоставной неполярной жидкости следует знать её электрофизические параметры. В основном для этого требуется использовать специальное оборудование.

Кроме того, объем образцов для исследования в большинстве существующих устройств начинается от 15 мл, а в некоторых и от 100 мл. Для определенных отраслей этот объем достаточно значителен. В связи с этим в данной главе предлагаются усовершенствованные электрофизический и акустический методы определения некоторых акустических и электрофизических свойств жидких сред с малым объемом исследуемого образца.

1.1. Исследование электрофизических свойств суспензий

Одним из способов определения диэлектрической проницаемости жидкости £ является измерение электрической емкости конденсатора С, заполненного исследуемой жидкостью [3]:

£ = ^ (1.1)

С0

где С0 - геометрическая емкость электродов конденсатора; С(ЛЪ) = С(Ъ2) — С(^) - разница емкостей конденсатора при разных уровнях исследуемой жидкости. Разные уровни жидкости используются для того, чтобы избежать влияния краевых эффектов электродов на полученные результаты.

По геометрической форме различают плоские, сферические и цилиндрические конденсаторы. Диэлектрическая проницаемость для каждого случая рассчитывается по-разному из-за площади поверхности электродов. В

данной работе использовались электроды цилиндрической формы. Геометрическая емкость С0 таких электродов рассчитывается по формуле:

Со = ^ (1.2)

0 ln (D)

где £0 = 8.85 X 10-12Ф/м - постоянная диэлектрическая проницаемость; D и d - диаметры внешнего и внутреннего электродов соответственно.

В итоге для определения диэлектрической проницаемости жидкости была создана усовершенствованная измерительная ячейка (рисунок 1.1) [5*] на основе схемы, представленной в [3].

Измерительная ячейка состояла из двух коаксиальных никелевых электродов 1 и 2, вставленных один в другой и стандартной пробирки Эппендорфа 5 с закручивающейся крышкой 3 объемом 1.5 мл (Axygen Scientific Inc., United States). Внешний и внутренний электроды имели диаметры 3.5 и 2.5 мм соответственно и рабочую длину 22 мм. В верхней части никелевых электродов располагалась тефлоновая прокладка 4. Соосность электродов обеспечивалась конусообразным дном ячейки Эппендорфа. Вся система фиксировалась в отверстии закручивающейся крышки. Емкость полученного коаксиального конденсатора составляет Co = 10.8 пФ при частотах в диапазоне от 200 Гц до 2 МГц. Выводы электродов подключались к измерителю LCR-параметров Agilent E4980A.

Рисунок 1.1. Схема измерительной ячейки и ее фото. 1 - внутренний электрод; 2 - внешний электрод; 3 - закручивающаяся крышка с отверстием; 4 - изолятор из тефлоновой прокладки; 5 - эппендорф.

Созданная измерительная ячейка отличалась от известных тем, что была адаптирована под стандартную ячейку Эппендорфа и позволяла исследовать образцы малого объема.

Эксперимент по определению диэлектрической проницаемости проводился для таких жидкостей как: глицерин (£ = 45) и его суспензии с сорбитаном моноолеатом ЗРАШО; силиконовое масло (СМ) марки ПМС-100 (£ = 2.1) и его суспензии с микрочастицами активированного угля (АУ) и вазелиновое масло (ВМ) (£ = 2.25) и его суспензии с микрочастицами активированного угля и сорбитаном моноолеатом SPAN80.

Суспензии с добавлением микрочастиц активированного угля изготавливались из таблеток угля, которые мололись под гидравлическим прессом с максимальным усилием 10 тонн. Вазелиновое или силиконовое масло с концентрацией угольного порошка 60 мг/мл получали путем смешивания чистого масла с порошком. Для этого в специальную планетарную мельницу ^г^^ РЦЦУЕКЛЖТТЕ 7, Германия) были введены угольный порошок, вазелиновое масло и шарики из некоррозионной стали (18 штук диаметром 100 мм). Смесь обрабатывали в мельнице в течение 3 минут при 300 оборотах в минуту с перерывом в 6 минут. Всего было выполнено 20 циклов. Приготовленная смесь оставалась однородной в течение 5 часов. Если она становилась неоднородной, проводилась дальнейшая обработка ультразвуком с помощью ультразвукового диспергатора мэф93.1 (МЭЛФИЗ, Россия).

Гранулометрический состав измельченного активированного угля в неполярной масляной суспензии был измерен методом лазерной дифракции на анализаторе размера частиц Сотрас^ ("Фотокор", Россия). Полученные результаты представлены на рисунке 1.2. Показано, что около 38% частиц представляют собой частицы активированного угля диаметром около 3 мкм, а 57% - 40 нм в диаметре.

Концентрация SPAN80 в суспензиях составляла 5 масс. % и выбиралась на основе результатов работы [21], в которой то же поверхностно-активное

24

вещество использовали для повышения электропроводности неполярных жидкостей.

Рисунок 1.2. Результаты измерения диаметра частиц активированного угля в суспензии с помощью анализатора размера частиц Compact-Z.

На рисунке 1.3 представлены результаты определения емкостей конденсаторов, заполненных данными жидкостями с помощью измерительной ячейки и LCR-метра Agilent E4980A (Agilent Technologies, Санта-Клара, Калифорния, США). Измерения проводились в диапазоне частот от 200 Гц до 2 МГц.

Результаты, полученные на краях частотного диапазона, являются неинформативными в связи с большой погрешностью прибора в данных областях. В связи с этим для составления Таблицы 1.1 использовались стандартные значения 1 кГц и 1 МГц.

Видно, что при заполнении конденсатора неполярными жидкостями, величина его емкости в десять раз меньше, чем при заполнении его глицерином и его суспензией. Как и должно быть, зависимость емкости конденсатора от частоты для неполярных жидкостей не наблюдается. Тогда как для полярных жидкостей емкость конденсатора, а, следовательно, и его диэлектрическая проницаемость сильно зависят от частоты. Так как полярные жидкости характеризуются наличием дипольного момента, было предложено изолировать измерительные электроды электроизоляционным

акриловым лаком Plastik-71. Изоляция измерительных электродов ожидаемо привела к уменьшению величины зависимости емкости от частоты.

Рисунок 1.3. Зависимость емкости измерительного конденсатора с образцами от частоты (1 - глицерин; 2 - глицерин + SPAN80; 3 - глицерин (ИИЭ); 4 - глицерин + SPAN80 (ИИЭ); 5 - СМ; 6 - СМ + АУ; 7 - ВМ; 8 - ВМ + АУ; 9 - ВМ + SPAN80, 10 - пустой конденсатор).

В итоге по полученным значениям емкости были рассчитаны значения диэлектрических проницаемостей для каждой жидкости на частотах 1 кГц и 1 МГц (таблица 1.1). Следует отметить, что данные для чистых жидкостей согласуются со справочными данными [3].

Анализ результатов показал, что добавление наполнителя или поверхностно-активного вещества приводит к увеличению диэлектрической проницаемости для всех исследованных неполярных жидкостей. Сопротивление силиконового масла при добавлении микрочастиц активированного угля уменьшилось на 2 порядка. К наибольшему изменению привело добавление сорбитана моноолеата SPAN80 в вазелиновое масло. Измерения для глицерина, который является полярной жидкостью, показали, что даже в случае изолированных электродов, наблюдается зависимость емкости и диэлектрической проницаемости от частоты. Причем при добавлении SPAN80 наблюдается четкая точка перегиба и график разделяется

на две части, с диэлектрической проницаемостью около 51 и около 17.

26

Данный факт может быть связан со свойствами SPAN80, так как это поверхностно активное вещество влияет на реологические свойства раствора, изменяя его структуру. Следовательно, может измениться и вязкость раствора, что приведет к большей величине зависимости его физических характеристик от частоты.

Таблица 1.1. Диэлектрические проницаемости жидкостей на частотах 1 кГц и 1 МГц, полученные с помощью измерительной цилиндрической ячейки на LCR-метре Agilent E4980A. [5*].

Образец 8 (1 кГц) 8 (1 МГц) R, Ом Образец 8 (1 кГц) 8 (1 МГц) R, Ом

ВМ 2.25 2.26 1.8 х 1011 ВМ + АУ ВМ + SPAN80 2.6 2.3 2.6 2.3 1.8 х 109 3 х 108

СМ 2.1 2.1 9.4 х 1011 СМ + АУ 3.4 3.4 1.5 х 109

Глицерин 45 42 3.8 х 105 Глицерин + SPAN80 85 37 2.1 х 104

Глицерин (ИИЭ) 45 30 2.1 х 106 Глицерин + SPAN80(MTO) 51 17 3 х 106

1.2. Исследование вязкости жидкости при помощи акустических волн в пьезоэлектрических пластинах

Взаимодействие акустических волн в пьезоэлектрических пластинах, контактирующих с жидкостью, имеет две составляющих. Первая -электрическая, которая обусловлена проникновением электрических полей, сопровождающих пьезоактивную волну, в жидкость. Данное взаимодействие происходит в случае, когда жидкость обладает высоким значением электрофизических характеристик (электропроводность и диэлектрическая проницаемость). Вторая - механическая, она обусловлена механическим контактом между пьезоэлектрической пластиной и жидкостью. В этом случае поглощение волны возрастает из-за вязкости жидкости.

Пьезоактивность акустической волны во многом зависит от материала, в котором она распространяется. К слабым пьезоэлектрикам относятся такие

материалы, как кварц, оксид цинка и другие, а к сильным пьезоэлектрикам -ниобат лития, ниобат калия и др. Поэтому в случае, если предполагается исследовать жидкости со слабыми электрофизическими свойствами, или планируется исследовать только механические характеристики жидкости, лучше всего использовать слабые пьезоэлектрики.

В данной главе исследуются неполярные жидкости. Они характеризуются отсутствием дипольного момента молекул вещества. По этой причине у таких жидкостей достаточно низкая величина диэлектрической проницаемости, менее 10. Для исследования характеристик таких жидкостей использовали акустические волны в слабом пьезоэлектрике, а именно, кварце.

В данной главе для исследований использовались следующие материалы:

1. Вазелиновое масло (ВМ) (RAJOL WP 150, Индия)

2. Силиконовое масло (СМ) (ПМС-100 ГОСТ 13032-77 Россия)

3. Фармацевтический активированный уголь (АУ) (Россия)

4. Сорбитан моноолеат (SPAN80) (Sigma Aldrich)

Акустические измерения вязкости однокомпонентных жидкостей и

жидких растворов проводились на пластине ST,X-кварца (углы Эйлера 0°, 132.75°, 0°) с использованием линии задержки на основе специально подобранной пластинчатой волны Лэмба [4*, 10*]. Акустическая волна была найдена в результате расчетов с помощью программного обеспечения McGill University. Напряжения смещения u3 << u1, u2 соответствуют плоской эллиптической поляризации параллельной поверхности пьезоэлектрика (рисунок 1.4). Волны такой поляризации были найдены в пластинах кварца с h/X = 0.6; 1.0; 1.67 (h = 300 и 500 мкм; X = 200 и 300 мкм) и с нанесенными 20 или 50 парами ВШП.

Для поиска акустической волны данной поляризации в эксперименте

были измерены величины вносимых потерь S12(f) для нескольких вариантов:

для воздуха S^^^ (вязкость п = 0, электропроводность а « 0), для

28

дистиллированной воды 812™° (п = 1.003 сП, а « 0), для водных растворов глицерина 812Ш°+Глицерин (1.003 сП < п < 1 500 сП, а - 0), для чистого глицерина 812Глицерин (п = 1 491 сП, а - 0) и для водных растворов хлорида натрия (№С1) Sl2H2°+NaCl (п - 1 сП, а от 0 до 10 См/м).

Рисунок 1.4. Схематическое изображение кристаллографической ориентации пластины ST,X-кварца толщиной Ы/Х = 1.0 (И = X = 300 мкм) и поляризация акустической волны в пластине на ее поверхности с частотой Г= 49.74 МГц.

Были построены зависимости параметра 812 от вязкости и электропроводности каждой из жидкостей для каждой акустической волны и выбрана наиболее чувствительная к изменению вязкостных характеристик и наименее чувствительная к изменению электропроводности жидкости (рисунок 1.5) волна.

В результате оптимизации материала пластины (кварц), толщины пластины (300 и 500 мкм) и порядка акустической волны Лэмба (от 0 до 10) наиболее чувствительной к значению вязкости и наименее чувствительной к электропроводности жидкости оказалась акустическая волна с частотой 49.74 МГц в пластине ST,X-кварца с нормированной толщиной Ы/Х = 1.0 (Ы -толщина, X - длина волны) (рисунок 1.4).

Чувствительность этой акустической волны к вязкости (п) меняется с увеличением вязкости и составляет 0.3 дБ/сП при п = 1-20 сП, 0.12 дБ/сП при

132.75 У

П = 20-100 сП и 0.015 дБ/сП при п = 100-1500 сП. Приведенные данные говорят о разных погрешностях измерений на разных участках калибровочной кривой (рисунок 1.5,а): 10% на первых двух участках и 40% на последнем пологом участке.

а б

Рисунок 1.5. Калибровочные кривые акустической волны 49.74 МГц в пластине $Т,Х-кварца толщиной h/X = 1.0 (h = X = 300 мкм), отсечка = 15 мкс для вязкости (а) и электропроводности (б).

При этом электрические отклики той же волны в пластине меньше вязкостных на два порядка и их величины становятся равными лишь при п < 2 сП (рисунок 1.5,б). Учитывая погрешность прибора в 0.1 дБ, можно сказать, что данный акустоэлектрический метод не чувствителен к изменениям электрических характеристик жидкости. Это может быть объяснено именно слабыми пьезоэлектрическими свойствами кварца. Объем тестируемой жидкости, достаточный для измерения, составляет 100 мкл. Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 1.6.

Для демонстрации эффективности акустических измерений найденная акустическая волна с эллиптической поляризацией в плоскости пластины была применена для определения вязкости жидкостей из главы 1.1, а именно: глицерин (г = 45), глицерин с 5 масс.% SPAN80, силиконовое масло (СМ) марки ПМС-100 (г = 2.1), СМ с микрочастицами активированного угля (АУ), вазелиновое масло (ВМ) (г = 2.25) и ВМ с АУ (рисунок 1.7, таблица 1.2).

Рисунок 1.6. Схема подключения акустоэлектронного устройства к анализатору цепей KEYSIGHT E5061B (1 - резервуар для жидкости, 2 -пластина S^X-кварца, 3 - анализатор цепей).

Как и ожидалось, из-за увеличения потерь на распространение между входным и выходным преобразователями в присутствии вязких жидкостей вносимые потери S12 по сравнению со значением на воздухе возрастают, а величина возрастания - зависит от сорта жидкости и содержащихся в ней примесей. Причем наличие примесей может как увеличить (рисунок 1.7), так и уменьшить акустическое затухание и вязкость по сравнению с чистым веществом.

Значения вязкости жидкостей, измеренные акустическим методом с использованием калибровочной кривой, представлены в таблице 1.2. Результаты измерений для базовых жидкостей (глицерин, ВМ и СМ) находятся в согласии с табличными данными [87]. Результаты для базовых жидкостей с примесями получены и приводятся впервые [4*, 10*].

Рисунок 1.7. Калибровочные кривые акустической волны с частотой 49.74 МГц на воздухе и при нанесении чистого глицерина (1) и глицерина с 5 масс.% SPAN80 (2).

Таблица 1.2. Результаты акустических измерений при комнатной температуре (20оС) [4*].

Образец Глицерин Глицерин + ЗРЛШО СМ СМ+АУ ВМ ВМ+ЗРЛШ0 ВМ+АУ

П, сП 1500 1550 80 47 70 75 73

Результаты показали увеличение вязкости глицерина при добавлении сорбитана моноолеата ЗРЛ№0, однако калибровочная кривая вязкости для данных измерений характеризуется большой погрешностью (40%). Следовательно, в данном случае нельзя точно оценить изменение вязкости глицерина.

Результаты также показали понижение вязкости силиконового масла при добавлении в него частиц фармацевтического активированного угля. Изменения величин вязкости для вазелинового масла и глицерина можно считать недействительным, так как погрешность превышает величину измерения показаний с прибора.

Однако, при добавлении микрочастиц активированного угля в силиконовое масло вязкость снижается. Возможно, это связано с отличием свойств частиц активированного угля от частиц из других наполнителей.

1.3 Исследование вязкости жидкости при помощи акустических волн в пьезоэлектрических слоистых структурах

Следующим этапом изучения взаимодействия акустических волн в пластинах с вязкой жидкостью было исследование влияния этой жидкости на акустические волны с поляризацией в форме эллипса, лежащего параллельно поверхности, в слоистых структурах [6*, 9*]. В данном случае в качестве слабых пьезоэлектриков использовали пленки оксида цинка и нитрида алюминия, нанесенные на поверхность непьезоэлектрического кремния.

Измерения проводились при комнатной температуре 22.5°C и атмосферном давлении (743 мм рт.ст.). Кремниевые пластины с углами Эйлера (0°, 0°, 0°) и (45°, 54.7356°, 0°) были использованы в качестве непьезоэлектрических пластин. Исследования проводились на линиях задержек с нормированной толщиной кремниевой пластины h/X = от 0.625 до 2.6 (h = 250 и 380 цм X = 146, 200 и 400 цм). Это позволило возбудить множество акустических волн, подходящих для данного применения. Пьезоэлектрические пленки оксида цинка и нитрида алюминия с с-осью, перпендикулярной поверхности (углы Эйлера 0°, 0°, 0°), использовали в качестве покрытия, которое позволяло возбуждать акустические волны. Нормализованные толщины пленок ZnO и AlN находились в диапазоне от h/X = 0.0005 до 0.084 (h = от 0.2 до 12.3 мкм, X = 146, 200 и 400 мкм).

Пленки ZnO или AlN были нанесены на кремниевую пластину с одной или с обеих сторон (рисунок 1.8). Для каждой используемой структуры входные и выходные ВШП были нанесены на пленку ZnO. Каждый преобразователь содержал 20 пар электродов из Cr(100 нм)/А1(1000 нм). Полоса пропускания преобразователей (5%) обеспечивает хорошее частотное разрешение соседних волн с близкими скоростями vn. Для исследования механических свойств жидкости ячейку из плавленного кварца помещали на поверхность пленки ZnO между ВШП и приклеивали к поверхности с помощью салола. Размер ячейки был достаточно большим, чтобы избежать возмущения акустического луча стенками ячейки.

33

Скорости акустических волн были измерены как Vn = где X -период ВШП (длина волны), £П - центральная частота акустических волн разных порядков п. Погрешность измерений составляла около ± 1%.

ВШ1 1 Жидкость ВШП

ТпО

АШ

Рисунок 1.8. Схематический вид трехслойной экспериментальной структуры.

Частотные зависимости вносимых потерь Б12(^ были измерены с точностью ± 0.1 дБ с помощью анализатора цепей KEYSIGHT 5061В (Keysight, Санта Роза, Калифорния, США). Анализатор работал в амплитудно-частотном формате. Амплитудно-частотный формат S12(f) был преобразован в амплитудно-временной формат S12(т), чтобы избежать влияния электромагнитной наводки.

Процедура измерения затухания была следующей. Первоначально была

с воздух

измерена частотная зависимость вносимых потерь э12 (I) для линии задержки без жидкости в емкости. Затем были измерены те же частотные

сН20/л сН20+глицерин/Л

зависимости (I), э12 (I) в присутствии дистиллированной воды

Н20 (п = 1.003 сП), водных растворов глицерина (1.003 сП < п < 1 500 сП) и чистого глицерина (п = 1 500 сР) соответственно. Это позволяло изменять вязкость исследуемой жидкости на 3 порядка, плотность менее чем на 26% и диэлектрическую проницаемость менее чем на 10.5 %. Эти жидкости помещались в ячейку по очереди. После каждого использования ячейку очищали и сушили. Электропроводность всех использованных жидкостей

считали равной нулю. После этого для каждой акустической волны и тестируемой жидкости коэффициент ослабления был определен как an =

.^глицерин г.НтОч/т А ^глицерин-НтО /т т

(S12 — S122 )/L = AS12 ^ 2 /L, где L - длина пути распространения акустической волны. Наконец, для каждого образца жидкости были определены акустические волны с наибольшим значением an и проведено сравнение с наибольшими значениями для других образцов. Точность измерений составила ±0.01 дБ и ±0.005 дБ/мм для S12 и an соответственно.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шамсутдинова Елизавета Сергеевна, 2025 год

Список литературы

1. Изюмов Ю. А., Сыромятников В. Н. Фазовые переходы и симметрия кристаллов. М.: Наука, 1984. 248 с.

2. Белов Г. В. Термодинамика. М., 2016.

3. Ахадов Я. Ю. Диэлектрические свойства чистых жидкостей. М.: Изд-во МАИ, 1999. 854 с.

4. Khan M. I., Mukherjee K., Shoukat R., Dong H. Microsystem Technologies. 2017. Vol. 23. P. 4391-4404. DOI: 10.1007/s00542-017-3495-5.

5. Thirstrup C., Deleebeeck L. Review on electrolytic conductivity sensors // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2021. Vol. 70. 1008222. DOI: 10.1109/TIM.2021.3083562.

6. Zaitsev B. D., Semyonov A. P., Teplykh A. A., Borodina I. A. A new liquid sensor based on a piezoelectric resonator with a radial electric field // Ultrasonics. 2022. Vol. 119. 106603. DOI: 10.1016/j.ultras.2021.106603.

7. Zaitsev B. D., Borodina I. A., Teplykh A. A. Compact liquid analyzer based on a resonator with a lateral excitation electric field // Ultrasonics. 2022. Vol. 126. 106814. DOI: 10.1016/j.ultras.2022.106814.

8. Wang Y, Rajib S. M. S. M., Collins C., Grieve B. Low-cost turbidity sensor for low-power wireless monitoring of fresh-water courses // IEEE Sensors Journal. 2018. Vol. 18, № 11. P. 4689-4696. DOI: 10.1109/JSEN.2018.2826778.

9. Wei Y, Jiao Y, An D., Li D., Li W., Wei Q. Review of dissolved oxygen detection technology: From laboratory analysis to online intelligent detection // Sensors. 2019. Vol. 19, № 18. 3995. DOI: 10.3390/s19183995.

10. Miclos S., Baschir L., Savastru D., Savastru R., Lancranjan I. I. Detection of impurities using a SILPG sensor embedded into graphene reinforced composites // Composite Structures. 2021. Vol. 256. 113062. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.113062.

11. Anisimkin V. I., Voronova N. V. New modification of the acoustic Lamb waves and its application for liquid and ice sensing // Ultrasonics. 2021. Vol. 116. 106496. DOI: 10.1016/j.ultras.2021.106496.

12. Дальнова О. А., Бебешко Г. И., Еськина В. В., Барановская В. Б., Карпов Ю. А. Современные методы определения тяжелых металлов в сточных водах (обзор) // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017. Т. 83, № 6. С. 5-13.

13. Ягов Г. В. Контроль содержания соединений азота при очистке сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2008. Т. 7. С. 45-52.

14. Jinesh K. B., Frenken J. W. M. Experimental evidence for ice formation at room temperature // Phys. Rev. Lett. 2008. Vol. 101. 036101.

15. Kringle L., Thornley W. A., Kay B. D., Kimmel G. A. Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245 K // Science. 2020. Vol. 369. P. 1490-1492.

16. Myint P. C., Belof J. Rapid freezing of water under dynamic compression // J. Phys. Condens. Matter. 2018. Vol. 30. 233002.

17. Pradzynski C. C., Forck R. M., Zeuch T., Slavicek P., Buck U. A fully size-resolved perspective on the crystallization of water clusters // Science. 2012. Vol. 337. P. 15291532.

18. Wang Y, Li F., Fang W., Li Y., Sun C., Men Z. Influence of Si quantum dots on water molecules icing // J. Mol. Liq. 2019. Vol. 291. 111315.

19. Chakraborty S., Kahan T. F. Physical characterization of frozen aqueous solutions containing sodium chloride and humic acid at environmentally relevant temperatures // ACS Earth Space Chem. 2020. Vol. 4. P. 305-310.

20. Parent P., Laffon C., Mangeney C., Bournel F., Tronc M. Structure of the water ice surface studied by x-ray absorption spectroscopy at the O K-edge // J. Chem. Phys. 2002. Vol. 117. P. 10842-10851.

21. Zhu S., Bulut S., Le Bail A., Ramaswamy H. S. High-pressure differential scanning calorimetry (DCS): Equipment and technique validation using water-ice phase transition data // J. Food Process Eng. 2004. Vol. 27. P. 359-376.

22. Dukhin A. S., Goetz P. J. How non-ionic "electrically neutral" surfactants enhance electrical conductivity and ion stability in non-polar liquids // J. Electroanal. Chem. 2006. Vol. 588, № 1. P. 44-50. DOI: 10.1016/j.jelechem.2005.12.001.

23. Guo Q., Singh V., Behrens S. H. Electric charging in nonpolar liquids because of nonionizable surfactants // Langmuir. 2010. Vol. 26, № 5. P. 3203-3207. DOI: 10.1021/la903182e.

24. Chattopadhyay A., Dhar P. Dielectric relaxation behaviors and dissipation characteristics of colloidal nanocarbon (graphene and CNTs) complex fluids // J. Appl. Phys. 2019. Vol. 125, № 3. 034103. DOI: 10.1063/1.5079327.

25. Tanaka H., Koga K. Theoretical studies on the structure and dynamics of water, ice, and clathrate hydrate // Bull. Chem. Soc. Jpn. 2006. Vol. 79. P. 1621-1644.

26. Feistel R., Wagner W. A new equation of state for H2O ice Ih // J. Phys. Chem. Refer. Data. 2006. Vol. 35. P. 1021-1047.

27. Leetmaa M., Ljungberg M. P., Lyubartsev A., Nilsson A., Pettersson L. G. M. Theoretical approximations to X-ray absorption spectroscopy of liquid water and ice // J. Electron Spectr. Relat. Phenom. 2010. Vol. 177. P. 135-137.

28. Anderson M. Electro-Optic Ice Detection Device. U.S. Patent 6,425,286, 30 July 2002.

29. Kim J. J. Fiber Optic Ice Detector. U.S. Patent 5,748,091, 5 May 1998.

30. Abaunza J. T. Aircraft Icing Sensors. U.S. Patent 5,772,153, 30 June 1998.

31. DeAnna R. Ice Detection Sensor. U.S. Patent 5,886,256, 23 March 1999.

32. Lee H., Seegmiller B. Ice Detector and Deicing Fluid Effectiveness Monitoring System. U.S. Patent 5,523,959, 4 June 1996.

33. Daniels J. Ice Detecting System. U.S. Patent 4,775,118, 4 October 1988.

34. Barre C., Lapeyronnie D., Salann G. Ice Detection Assembly Installed on Aircraft. U.S. Patent 7,000,871, 21 February 2006.

35. Zhu X., Yuan Q., Zhao Y.-P. Phase transitions of a water overlayer on charged graphene: From electromelting to electrofreezing // Nanoscale. 2014. Vol. 6. P. 54325437.

36. Bovo L., Rouleau C. M., Prabhakaran D., Bramwell S. T. Phase transitions in few-monolayer spin ice films // Nat. Commun. 2019. Vol. 10. 1219.

37. Caliskan F., Hajiyev C. A review of in-flight detection and identification of aircraft icing and reconfigurable control // Prog. Aerosp. Sci. 2013. Vol. 60. P. 12-34.

38. Thirstrup C. Deleebeeck L. Review on Electrolytic Conductivity Sensors // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2021. Vol. 70, pp. 1-22. DOI: 10.1109/TIM.2021.3083562.

39. Kumar B., Rajita G., Mandal N. A review on capacitive-type sensor for measurement of height of liquid level // Measurement and Control. 2014. Vol. 47. № 7. P. 219-224.

40. Ballantine Jr D. S., White R. M., Martin S. J., Ricco A. J., Zellers E. T., Frye G. C., Wohltjen H. Acoustic wave sensors: theory, design and physico-chemical applications. Elsevier, 1996.

41. Auld B. A. Surface acoustic waves and devices // Archives of Acoustics. 2014. Vol. 16. № 1. P. 11-30.

42. Дьелесан Э. Р. Д. Упругие волны в твердых телах. Применение для обработки сигналов. 1982.

43. Викторов И. А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. Рипол Классик, 2013.

44. Gaso M. M. I. R., Jiménez Y., Francis L., Arnau A. Love wave biosensors: a review // State Art Biosens. Gen. Asp. 2013. Vol. 23. P. 277-310.

45. Золотова О. П., Бурков С. И., Сорокин Б. П., Теличко А. В. Упругие волны в пьезоэлектрических слоистых структурах // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Математика и физика. 2012. Т. 5, № 2. С. 164-186.

46. Hickernell F. S., Adler E. L. Pseudo-SAW propagation on layered piezo-substrates: experiments and theory including film viscosity // 1996 IEEE Ultrasonics Symposium. Proceedings. IEEE, 1996. Vol. 1. P. 87-90.

47. Зайцев Б. Д., Кузнецова И. Е. Акустические волны в тонких пьезоэлектрических пластинах. 2018.

48. Дамдинов Б. Б., Кобяков А. В., Сапожников О. А. Физическая акустика жидкостей: учебно-методическое пособие / Сибирский федеральный университет. — Красноярск: СФУ, 2024. — 68 с.

49. Liu Y, Cai Y, Zhang Y, Tovstopyat A., Liu S., Sun C. Materials, design, and characteristics of bulk acoustic wave resonator: A review // Micromachines. 2020. Vol. 11. № 7. 630.

50. Бородина И. А., Зайцев Б. Д., Теплых А. А. Влияние жидкости с различной проводимостью, вязкостью и диэлектрической проницаемостью на характеристики щелевой моды в акустической линии задержки // Ученые записки физического факультета МГУ 2017. № 5. С. 1750401-1750404.

51. Зайцев Б. Д., Шихабудинов А. М., Теплых А. А., Кузнецова И. Е. Способ бесконтактного измерения диэлектрической проницаемости. 2012.

52. Guo F. L., Sun R. Propagation of Bleustein-Gulyaev wave in 6 mm piezoelectric materials loaded with viscous liquid // Int. J. Solids and Structures. 2008. Vol. 45. № 13. P. 3699-3710. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2007.09.018.

53. Kobayashi S., Kondoh J. Feasibility study on shear horizontal surface acoustic wave sensors for engine oil evaluation // Sensors. 2020. Vol. 20. № 8. 2184. DOI: 10.3390/s20082184.

54. Казаков Л. И. Резино-жидкостный резонатор // Акуст. журн. 2020. Т. 66, № 4. С. 357-365. DOI: 10.31857/S0320791920020033.

55. Wang W. Y, Zhang C., Zhang Z. T., Liu Y, Feng G. P. Three operation modes of lateral-field-excited piezoelectric devices // Appl. Phys. Lett. 2008. Vol. 93. № 24. 242906. DOI: 10.1063/1.3050538.

56. Qin L. F., Chen Q. M., Cheng H. B., Chen Q., Li J. F., Wang Q. M. Viscosity sensor using ZnO and AlN thin film bulk acoustic resonators with tilted polar c-axis orientations // J. Appl. Phys. 2011. Vol. 110. № 9. 094511. DOI: 10.1063/1.3657781.

57. Бадмаев Б. Б., Дембелова Т. С., Дамдинов Б. Б., Макарова Д. Н., Намдакова Е. Д. Акустическое исследование нелинейных вязкоупругих свойств жидкостей //

Ученые записки физического факультета Московского университета. 2017. № 5. С. 1751302.

58. Бадмаев Б. Б., Макарова Д. Н., Дамдинов Б. Б., Сандитов Д. С., Дембелова Т. С. Низкочастотная вязкоупругая релаксация в жидкостях // Известия высших учебных заведений. Физика. — 2014. — Т. 57, № 6. — С. 34-39.

59. Анисимкин А. В., Покусаев Б. Г., Складнев Д. А., Сорокин В. В., Тюпа Д. В. Применение акустоэлектронной методики для исследования упорядоченных микроструктурированных дисперсных систем с биологическими объектами, включенными в гидрогель // Акуст. журн. 2016. Т. 62, № 6. С. 738-743. DOI: 10.7868/S0320791916060010.

60. Минаков А. В., Пряжников М. И., Дамдинов Б. Б., Немцев И. В. Исследование объемной вязкости наносуспензий методом акустической спектроскопии // Акуст. журн. 2022. Т. 68, № 2. С. 182-189. DOI: 10.31857/S0320791922020058.

61. Kondoh J., Nakayama K., Kuznetsova I. Study of frequency dependence of shear horizontal surface acoustic wave sensor for engine oil measurements // Sens. Actuators A. 2020. Vol. 325. 112503. DOI: 10.1016/j.sna.2020.112503.

62. Ахметов Б. Р., Вахин А. В. О некоторых характеристиках затухания ультразвука в суспензиях высокомолекулярных компонентов нефти // Акуст. журн. 2018. Т. 64, № 5. С. 566-571. DOI: 10.1134/S0320791918050015.

63. Сорокин Б.П., Асафьев Н.О., Овсянников Д.А., Квашнин Г.М., Лупарев Н.В., Голованов А.В., Попов М.Ю., Аксененков В.В., Бланк В.Д. Метод СВЧ акустического исследования материалов под высоким давлением // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. №. 11. С. 49 - 58. DOI: 10.6060/ivkkt.20226511.4y.

64. Сорокин Б.П., Квашнин Г.М., Лупарев Н.В., Асафьев Н.О., Щербаков Д.А. Исследования СВЧ акустических сенсоров на подложках из синтетического алмаза // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2020. Т. 63. №. 12. С. 63 - 70.

65. Сорокин Б. П., Квашнин Г. М., Асафьев Н. О., Лупарев Н. В. СВЧ акустический масс-сенсор: пат. № 2723956 C1 Рос. Федерация, МПК H01L 41/00 /

заявитель Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ). — № 2019128681; заявл. 12.09.2019; опубл. 18.06.2020.

66. Tomchenko M. D. Acoustic modes in He I and He II in the presence of an alternating electric field // J. Low Temp. Phys. 2020. Vol. 46. № 5. P. 490-501. DOI: 10.1063/10.0001053.

67. Zaitsev B. D., Teplykh A. A., Borodina I. A., Kuznetsova I. E., Verona E. Gasoline sensor based on piezoelectric lateral electric field excited resonator // Ultrasonics. 2017. Vol. 80. P. 96-100. DOI: 10.1016/j.ultras.2017.05.003.

68. Kuznetsova I. E., Zaitsev B. D., Seleznev E. P., Verona E. Gasoline identifier based on SH0 plate acoustic waves // Ultrasonics. 2016. Vol. 70. P. 34-37. DOI: 10.1016/j.ultras.2016.04.016.

69. Pu Y. Y., O'Shea N., Hogan S. A., Tobin J. T. Assessment of a solid-state bulk acoustic wave sensor to measure viscosity of Newtonian and Non-Newtonian fluids under static and flow conditions // J. Food Eng. 2020. Vol. 277. DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2020.109917.

70. Будаева О. А., Дамдинов Б. Б., Отто Г. П., Шагжин С. Н. Исследование вязкости различных растительных масел // Инновационные технологии в науке и образовании - III : Сборник трудов международной научно-практической конференции, Улан-Удэ, 15-18 июля 2013 года. - Улан-Удэ: Бурятский государственный университет, 2013. - С. 43-48.

71. Hansman Jr R. J., Kirby M. S. Measurement of ice growth during simulated and natural icing conditions using ultrasonic pulse-echo techniques // Journal of Aircraft. 1986. Vol. 23, № 6. P. 492-498.

72. Vetelino K. A., Story P. R., Mileham R. D., Galipeau D. W. Improved dew point measurements based on a SAW sensor // Sensors and Actuators B: Chemical. 1996. Vol. 35, № 1-3. P. 91-98.

73. Galipeau D. W., Story P. R., Vetelino K. A., Mileham R. D. Surface acoustic wave microsensors and applications // Smart Materials and Structures. 1997. Vol. 6, № 6. P. 658.

74. Varadan V. K., Varadan V. V., Bao X. Q. IDT, SAW, and MEMS sensors for measuring deflection, acceleration, and ice detection of aircraft // Smart Structures and Materials 1997: Smart Electronics and MEMS. SPIE, 1997. Vol. 3046. P. 209-219.

75. Hughes R. C., Martin S. J., Frye G. C., Ricco A. J. Liquid-solid phase transition detection with acoustic plate mode sensors: Application to icing of surfaces // Sensors and Actuators A: Physical. 1990. Vol. 22, № 1-3. P. 693-699.

76. Vellekoop N. J., Jakoby B., Bastemeijer J. A love-wave ice detector // 1999 IEEE Ultrasonics Symposium. Proceedings. International Symposium. IEEE, 1999. Vol. 1. P. 453-456.

77. Jose K. A., Sunil G., Varadan V. K., Varadan V. V. Wireless IDT ice sensor // 2002 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. IEEE, 2002. Vol. 2. P. 655658.

78. Gao H., Rose J. L. Ice detection and classification on an aircraft wing with ultrasonic shear horizontal guided waves // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2009. Vol. 56, № 2. P. 334-344.

79. Wang W., Yin Y, Jia Y, Liu M., Liang Y, Zhang Y., Lu M. Development of a love wave based device for sensing icing process with fast response // Journal of Electrical Engineering & Technology. 2020. Vol. 15. P. 1245-1254.

80. Anisimkin V. I., Voronova N. V., Zemlyanitsyn M. A., Kuznetsova I. E., Pyataikin I. I. Characteristic features of excitation and propagation of acoustic modes in piezoelectric plates // Journal of Communications Technology and Electronics. 2013. Vol. 58. P. 1004-1010.

81. Kuznetsova I. E., Anisimkin V. I., Kolesov V. V., Kashin V. V., Osipenko V. A., Gubin S. P., Tkachev E. Verona, S. Sun, Kuznetsova A. S. Sezawa wave acoustic humidity sensor based on graphene oxide sensitive film with enhanced sensitivity // Sensors and Actuators B: Chemical. 2018. Vol. 272. P. 236-242.

82. Anisimkin V. I., Voronova N. V. Features of normal higher-order acoustic wave generation in thin piezoelectric plates // Acoustical Physics. 2020. Vol. 66. P. 1-4.

83. Caliendo C., Lo Castro F. Quasi-linear polarized modes in y-rotated piezoelectric GaPO4 plates // Crystals. 2014. Vol. 4, № 3. P. 228-240.

84. Chen Z., Fan L., Zhang S. Y, Zhang H. Theoretical research on ultrasonic sensors based on high-order Lamb waves // Journal of Applied Physics. 2014. Vol. 115, № 20.

85. Wang Y F., Wang T. T., Liu J. P., Wang Y. S., Laude V. Guiding and splitting Lamb waves in coupled-resonator elastic waveguides // Composite Structures. 2018. Vol. 206. P. 588-593.

86. Kuznetsova I. E., Zaitsev B. D., Borodina I. A., Teplykh A. A., Shurygin V. V., Joshi S. G. Investigation of acoustic waves of higher order propagating in plates of lithium niobate // Ultrasonics. 2004. Vol. 42, № 1-9. P. 179-182.

87. Chemical Rubber Company Handbook of Chemistry and Physics. 67th ed. / Ed. R. C. Weast, M. J. Astle, W. H. Beyer. Boca Raton: CRC Press, 1986. P. D254.

88. Tiersten H. F., Sinha B. K. A perturbation analysis of the attenuation and dispersion of surface waves // Journal of Applied Physics. 1978. Vol. 49, № 1. P. 87-95.

89. Martin S. J., Frye G. C., Ricco A. J. Characterization of SH acoustic plate mode liquid sensors // Sensors and Actuators. 1989. Vol. 20, № 3. P. 253-268.

90. Niemczyk T. M., Martin S. J., Frye G. C., Ricco A. J. Acoustoelectric interaction of plate modes with solutions // Journal of Applied Physics. 1988. Vol. 64, № 10. P. 50025008.

91. Анисимкин В. И., Воронова Н. В., Галанов Г. Н. Детектирование жидкостей акустическими пластинчатыми модами квазипродольного типа // Радиотехника и электроника. 2010. Т. 55, № 9. С. 1121-1125.

92. Анисимкин В. И., Кузнецова И. Е. Селективное детектирование температуры микропроб жидкостей акустическими волнами поверхностного типа // Радиотехника и электроника. 2019. Т. 64, № 8. С. 831-834.

93. Tiersten H.F., Sinha B.K. A perturbation analysis of the attenuation and dispersion of surface waves// Journ. of Appl. Phys. - 1978.- V.49. - P. 87-95.

94. Slobodnik A. J., Conway J.R., Delmonico E.D. Microwave Acoustic Handbook. V.1A. Surface Wave Velocities. Cambridge: Air Force Systems Command. 1973. 350 p.

95. Adler E.L., Slaboszewicz J.K., Farnell G.W., Jen C.K. PC software for SAW propagation in anisotropic multi-layers // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 1990. Vol. 37. P. 215-220.

96. Anisimkin V.I. Anisotropy of the acoustic plate modes in ST-Quartz and 128Y-LiNbO3 // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2014. Vol. 61. P. 120-132. DOI: 10.1109/TUFFC.2014.6689780.

97. Anisimkin V.I., Voronova N.V., Puchkov Y.V. General properties of the acoustic plate modes at different temperatures // Ultrasonics. 2015. Vol. 62. P. 46-49. DOI: 10.1016/j.ultras.2015.04.010.

98. Zaitsev B.D., Kuznetsova I.E., Joshi S.G., Borodina I.A. Shear horizontal acoustic waves in piezoelectric plates bordered with conductive liquids // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2001. Vol. 48, no. 2. P. 627-631. DOI: 10.1109/58.911748.

99. Zaitsev B.D., Kuznetsova I.E., Joshi S.G. Anomalous resisto-acoustic effect in a piezoelectric-conducting liquid structure // Technical Physics. 2001. Vol. 46, no. 6. P. 767-769. DOI: 10.1134/1.1387150.

100. Zaitsev B.D., Kuznetsova I.E., Joshi S.G., Borodina I.A. Acoustic waves in piezoelectric plates bordered with viscous and conductive liquids // Ultrasonics. 2001. Vol. 39, no. 1. P. 45-50. DOI: 10.1016/S0041-624X(00)00040-8.

101. Ricco A.J., Martin S.J., Zipperian T.E. Surface acoustic wave gas sensor based on film conductivity changes // Sens. and Act.- 1985.-V.8. -P.319-333.

102. Zaitsev B. D., Borodina I. A., Teplykh A. A., Semyonov A. P. Determination of the acoustic wave velocity and attenuation in liquids with different acoustic impedances using an acoustic interferometer // Acoustical Physics. 2023. Vol. 69. P. 503-509. DOI: 10.1134/S1063771023600493.

103. Anisimkin V. I., Kuznetsova I. E., Smirnov A. V. Sensors for liquid level and analysis of thermodynamic processes during its freezing based on bulk acoustic waves //

Radioelektronika, Nanosistemy, Informacionnye Tekhnologii. 2023. Vol. 15, № 4. P. 361-366. DOI: 10.17725/RENSIT.2023.15.361.

104. Yanez J., Uranga A., Barniol N. Fluid compressional properties sensing at microscale using a longitudinal bulk acoustic wave transducer operated in a pulse-echo scheme // Sensors and Actuators A: Physical. 2022. Vol. 334. 113334. DOI: 10.1016/j.sna.2021.113334.

105. Hartz J. S. R., Emanetoglu N. W., Howell C., Vetelino J. F. Lateral field excited quartz crystal microbalances for biosensing applications // Biointerphases. 2020. Vol. 15, № 3. 030801. DOI: 10.1116/6.0000144.

106. Adetula O., Aimofumhe E., Badewole F., Ijale C., Thomas M. Sensitivity measurements for a 250 MHz quartz shear-horizontal surface acoustic wave biosensor under liquid viscous loading // AIP Advances. 2023. Vol. 13, № 12. 125305. DOI: 10.1063/5.0166035.

107. Caliendo C., Hamidullah M. Guided acoustic wave sensors for liquid environments // Journal of Physics D: Applied Physics. 2019. Vol. 52, № 15. 153001. DOI: 10.1088/1361-6463/aafd0b.

108. Mirea T., Yantchev V., Olivares J., Iborra E. Influence of liquid properties on the performance of S0-mode Lamb wave sensors II: Experimental validation // Sensors and Actuators B: Chemical. 2016. Vol. 229. P. 331-337. DOI: 10.1016/j.snb.2016.01.131.

109. Chen Z., Li L., Shi W., Guo H. Optimization design of a Lamb wave device for density sensing of nonviscous liquid // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2007. Vol. 54, № 10. P. 1949-1959. DOI: 10.1109/TUFFC.2007.488.

110. Caliendo C., Hamidullah M. A theoretical study of Love wave sensors based on ZnO-glass layered structures for application to liquid environments // Biosensors. 2016. Vol. 6. 59. DOI: 10.3390/bios6040059.

111. Wang C., Cai F., Li F., Wu J., Kang Y, Zheng H. A highly sensitive compact liquid sensor based on slotted phononic crystal plates // Lab on a Chip. 2016. Vol. 16, № 23. P. 4595-4600. DOI: 10.1039/c6lc01151a.

112. Li K.-Y., Sun X.-W., Song T., Wen X.-D., Wang Y-W., Liu X.-X., Liu Z.-J. A high-sensitivity liquid concentration-sensing structure based on a phoxonic crystal slot nanobeam // Journal of Applied Physics. 2022. Vol. 131. 024501. DOI: 10.1063/5.0064089.

113. Fukuhara M., Sanpei A. High temperature-elastic moduli and internal dilational and shear frictions of fused quartz // Jpn. J. Appl. Phys. 1994. Vol. 33. P. 2890-2893. DOI: 10.1143/jjap.33.2890.

114. Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Теория упругости. М.: Наука, 1986.

115. Wilson W. D. Speed of sound in distilled water as a function of temperature and pressure // The Journal of the Acoustical Society of America. 1959. Vol. 31. P. 10671072. DOI: 10.1121/1.1907828.

116. Bergmann L. Der Ultraschall und Seine Anwendung in Wissenschaft und Technik. Zurich: Bildern, 1954.

117. Pereire J., Souza R., Moita A. A Review of Ionic Liquids and Their Composites with Nanoparticles for Electrochemical Applications // Inorganics. 2024. Vol. 12, № 7. P. 186

118. Slavchov R.I., Peychev B., Minkov I. Electrolytes at Uncharged Liquid Interfaces: Adsorption, Potentials, Surface Tension, and the Role of the Surfactant Monolayer // Langmuir. 2024. Vol. 40. P. 17170-17189.

119. Hofmeister F. Zur lehre von der wirkung der salze: zweite mittheilung // Archiv für experimentelle Pathologie und Pharmakologie. 1888. Vol. 24. P. 247-260.

120. Yang S., Zhang Y, Feng B., Li H. Coupling of Hofmeister effect, electrolyte concentration, and mechanical composition in soil loss: Runoff simulation study // Soil and Tillage Research. 2021. Vol. 212. 105073. DOI: 10.1016/j.still.2021.105073.

121. Namur J. A., Takata C. S., De Araujo P. S., Bueno-da-Costa M. H. Hoffmeister series ions protect diphtheria toxoid from structural damages at solvent/water interface // Materials. 2009. Vol. 2, № 3. P. 765-775.

122. Wei W. Hofmeister effects shine in nanoscience // Advanced Science. 2023. Vol. 10, № 22. P. 2302057. DOI: 10.1002/advs.202302057.